超高车辆―桥梁上部结构碰撞的破坏模式与荷载计算

　   【摘要】交通情况的复杂让交通事故频发，其中超高车辆与桥梁上部结构的碰撞更是频繁发生，不仅对桥梁结构安全性产生较大威胁，同时对交通运行也有一定影响。目前我国关于对超高车辆-桥梁上部结构碰撞的破坏模式与荷载计算的研究不仅存在数量上的不足，在研究深度上也存在一定不足，为此，本文将研究的重点放在超高车辆-桥梁上部结构碰撞的破坏模式与荷载计算方面，了解超高车辆在撞击到桥梁上部结构的破坏模式与荷载，从而对后期的防护有一定指导意义。 
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　　【关键词】超高车辆-桥梁上部结构碰撞；破坏模式；荷载计算 
　　引言 
　　近几年，我国城市立体交通的发展越来越迅速，导致超高车辆碰撞桥梁上部结构的事故也越来越多。2008年在我国成渝高速公路，一辆超高货车强行通过一座正在建的跨线公路桥时将桥梁的主轴直接撞歪，直接导致前两个月的施工作废，金额损伤近百万元，其中还未包括对社会的影响。不仅是在我国，在发达国家这种超高车辆撞击桥梁上部结构的事件也频频发生。可以看出，导致桥梁损坏的主要原因就是受到超高车辆的撞击。对其破坏模式与荷载计算进行分析，从而对优化桥梁上部结构具有一定重要意义。 
　　1.超高车辆-桥梁上部结构碰撞的破坏模式 
　　（1）破坏类型：通过对超高车辆-桥梁上部结构碰撞的事故调查与有限元仿真分析发现，其出现的破坏模式可以分为两种，一种是局部性破坏，另一种则是整体性破坏。局部性破坏是桥梁上部结构受到局部冲剪作用引起的损坏[1]。如果是钢筋混凝土T梁桥，这种局部破坏的程度将会更加明显，整个碰撞区域不仅会出现开裂、崩落，钢筋屈服，甚至整个腹板―面板交界处的混凝土出现纵向开裂。如果是T型钢梁桥，局部破坏也会十分明显，会产生严重的塑性变形。如果是钢箱梁桥，破坏形式表现为钢材屈服。如果是混凝土箱梁桥，则表现为碰撞区域出现混凝土开裂。整体性破坏与位移响应有关，包括扭转损伤、弯曲损伤、落梁破坏，整体性破坏既可以发生在超高车辆-桥梁上部结构碰撞的过程中，也可以发生在碰撞结束之后。 
　　（2）破坏程度：通过分析竖向荷载与位移曲线的关系，发现了解碰撞之后竖向承载力的损失程度。竖向承载力是整体性破坏和局部性破坏综合作用的结果，能够在宏观上了解其破坏程度[2]。T梁桥在受到超高车辆碰撞之后，竖向正常使用承载力会随着碰撞速度的变大而减小。如果是组合梁桥，底板对腹板形成一个横向支撑，整个桥梁结构的抗击能力较大，屈服并不明显。如果是人行天桥，落梁破坏直接安东志桥梁失去竖向承载能力，甚至造成交通拥挤、人员伤亡。因此针对人行天桥需要有效改善桥梁结构或者增设防护装置，避免其破坏程度过于严重[3]。②分析其变形损伤程度，如果是钢筋混凝土T梁桥，在跨中截面施加扭矩，同时对跨端截面施加扭转约束，会发生扭转破坏。如果是在跨中截面弯曲中心施加水平集中力，同时对跨端截面弯曲中心施加水平约束，桥梁并不会产生扭转变形，仅会出现水平弯曲破坏。T梁桥跨中截面扭矩―扭转角其破坏过程是先从腹板开始开裂，裂缝逐渐向端部蔓延。T梁桥跨中截面水平弯曲破坏过称谓混凝土面板受拉区出现开裂，逐渐被压碎[4]。③钢箱―混凝土板组合梁桥整体变形损伤程度，当混凝土面板出现贯通斜裂缝时，整个混凝土面板受拉区会出现开裂，然后被压碎，之后开始屈服。 
　　2.超高车辆-桥梁上部结构碰撞的荷载计算 
　　2.1分析碰撞荷载受到的影响因素 
　　（1）结构形式对荷载的影响。如果是立交桥，其结构形式对荷载的影响不明显。与人性天桥结果相近。桥梁宽度和长度对荷载也会产生一定影响。以60km/h速度为例，利用T梁桥模型进行模拟实验，结果见表1.可以发现，宽度与长度对撞击荷载的影响并不大。 
　　分析支座类型对荷载的影响，一般情况下，桥梁上部结构质量与超高车辆的质量比达到10以上，桥梁的当杜与承载力会远远高于车辆，因此桥梁上部结构受到的荷载不大。 
　　（2）使用有限元分析其撞击力。由于超高车辆-桥梁上部结构碰撞的过程中影响因素较多，为了更好的进行计算，忽略掉车厢与桥梁的摩擦力、车轮与路面的摩擦力、忽略掉车辆自身重力。建立一个超高车辆-桥梁上部结构碰撞的简化模型，通过有限元分析发现，超高车辆的位移响应中包含了来自水平与竖直两个方向的刚体平动，以及绕后车轴的刚体转动。在碰撞区域车厢的塑性变形十分明显，这是受到了水平碰撞力和竖直碰撞力的影响。 
　　（3）需要对模型参数取值进行简化，需要考虑从到车型以及载货情况，另一方面需要考虑从到碰撞过程中接触区域的压缩刚度与屈服力。本次研究根据精力压缩数值进行上述条件取值的确定，虽然在碰撞过程中由于动力效应，车厢变形与静力压缩结果存在差别，但是这种差别是在允许范围之内，因此采用静力压缩方式得到的车厢的力与变形之间的关系，能够确定车辆的简化模型参数取值。 
　　（4）完成计算之后，需要从局部破坏撞击力、撞击冲量以及桥梁上部结构位移响应三个方面进行验证[5]。针对撞击荷载，桥梁上部结构位移响应将给予简化模型的撞击力时程作用于组合梁桥上部结构，计算其位移响应。发现，此次研究桥梁上部结构位移响应最大误差为15.90%，结果符合工程精度并且达到一定安全性，具体见表2. 
　　3.结语 
　　总而言之，通过本次研究发现碰撞冲量与超高车辆的相关参数存在直接联系，通过采用有限元分析方式分析了超高车辆碰撞过程中产生的破坏模式与破坏程度，对荷载进行了计算，最终目的是为优化桥梁上部结构，针对不同类型的桥型出现的不同的破坏模式采用不同的抗撞措施，尽量减少桥梁受损程度。希望在下一阶段的研究中将研究重点放在开展附加防护装置的工作机理与设计方向方面，保证从多个角度实现对桥梁上部结构的保护。 
　　【参考文献】 
　　[1]林旭川，陆新征，缪志伟等.基于分层壳单元的RC核心筒结构有限元分析和工程应用[J].土木工程学报，2014，51（35）：103. 
　　[2]陆新征，张炎圣，任爱珠等.超高车辆与立交桥梁碰撞的高精度非线性有限元仿真[J].石家庄铁道学院学报，2012，31（24）：152. 
　　[3]叶列平，陆新征，马千里等.混凝土结构抗震非线性分析模型、方法及算例[J].工程力学，2012，37（15）：186. 
　　[4]刘中华，程秀生，杨海庆等.薄壁直梁撞击时的变形及吸能特性[J].吉林大学学报（工学版），2013，11（02）：209-210. 
　　[5]张炎圣，陆新征，叶列平等.超高车辆-桥梁上部结构碰撞荷载精细有限元模拟与简化计算[J].工程力学，2011，31（07）：106.

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